新型農業育種高精度恒溫恒濕系統設計

摘要：為提高農業育種效率，提出了一種新型農業育種高精度恒溫恒濕系統設計方案。基于ARM微處理器LPC2124和嵌入式軟件開發技術設計了系統軟硬件，采用新型溫濕度傳感器SHT11實現了育種箱內環境溫度和濕度的監測，采用雙向可控硅及固體繼電器實現了加熱和超聲霧化加濕電路的工作控制。測試結果表明，系統的測控精度高、功耗低，顯著提高了育種效率，具有較高的實用價值和應用推廣價值。

關鍵詞：農業育種；ARM微處理器；嵌入式系統；恒溫；恒濕

中圖分類號：S24 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3409-03

中國是農業大國，農業是中國的支柱產業也是國民經濟命脈，精準農業是當今農業的發展方向，農業自動化是當今農業工程的重要主題，在農業生產中育種作業是基礎和關鍵問題[1]。傳統的手工自然育種方式存在溫濕度控制效果差、發芽率低和育種周期長等缺點。近年來，隨著科技的不斷發展，恒溫育種箱的研究得到了廣泛關注[2]。然而，現有產品大都只關注了溫度控制，而種子生長環境的濕度控制完全通過依靠手工方式為育種介質澆水來實現，介質澆水量靠經驗調節，往往不易掌控，濕度小不利于種子發芽，而濕度大又容易引起爛種。

為實現育種作業的自動化和智能化，提高育種效率和發芽率，研究提出了一種基于嵌入式系統開發技術的高精度恒溫恒濕控制系統的設計方案。系統通過高精度數字溫濕度傳感器探測育種箱內環境參數，并通過執行電路自動調節溫度和濕度，取得了很好的實用效果。

1 系統總體結構和工作原理

系統的總體結構如圖1所示，以嵌入式ARM微處理器為核心，主要包括當前溫度/濕度檢測模塊、鍵盤輸入功能模塊和液晶顯示功能電路、溫度/濕度調節功能模塊以及電壓、晶振和復位等外圍支持電路等功能模塊。工作過程中，系統可通過鍵盤輸入功能模塊接收用戶的溫度設定值和濕度設定值，通過當前溫度檢測電路和濕度檢測電路探測育種箱內種子的環境參數，并根據測量值與設定值的差分情況確定是否啟動溫度調節電路和濕度調節電路。電壓、晶振和復位等外圍支持電路則為系統的正常工作提供了支持。

2 硬件設計

系統硬件以嵌入式ARM微處理器LPC2124為核心，設計包括當前溫度/濕度檢測電路、鍵盤輸入和顯示輸出電路、溫度/濕度調節電路以及電壓、晶振和復位等外圍支持電路的設計等。其中，外圍支持電路的設計可參考文獻[3]。下面分兩部分介紹其他電路模塊的設計方法。

2.1 溫濕度檢測及I/O電路設計

當前溫濕度檢測電路、I/O電路（即鍵盤輸入和顯示輸出電路）的設計如圖2所示。溫濕度檢測電路基于瑞士Sensirion公司最新推出的溫濕度傳感器SHT11設計實現。SHT11[4]是具有I2C總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器，采用獨特的CMOSensTM技術，具有數字式輸出、免外圍電路及全互換的特點。設計中SHT11占用LPC2124的I2C總線接口，通過SDA和SCL引腳完成通信連接。為保證數據的可靠性，在SDA上配備了上拉電阻R6。I/O電路設計包含鍵盤輸入電路、液晶顯示電路和LED燈指示電路三部分。圖2中S1、S2用于參數值的增減輸入以及功能菜單的選擇，處理器引腳平時為高電平狀態，當按鍵按下時引腳與地直通，電壓VCC由電阻R4/R5承擔，引腳變為低電平狀態；液晶顯示電路基于LCD1602實現，可向用戶實時顯示溫度、濕度等數據情況；LED1、LED2和LED3分別用于指示系統電源、溫度調節工作狀態和濕度調節工作狀態。

嵌入式ARM微處理器LPC2124的選用有效保證了系統的性能。該處理器具有如下主要性能特征：①內部集成了一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有256 kB高速Flash存儲器；②128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行；③采用超小LQFP64封裝，功耗極低；④通過片內Boot裝載程序實現在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP）；⑤Embedded ICE可實現斷點和觀察點，當使用片內RealMonitor軟件對前臺任務進行調試時，中斷服務程序可繼續運行；⑥具有多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口（400 kHz）和2個SPI接口等資源。

2.2 溫濕度調節電路設計

溫濕度調節電路如圖3所示。LPC2124通過GPIO引腳P1.9控制溫度調節電路。考慮系統安全性，在控制線上采用了雙向可控硅MOC3021[5]隔離弱電主控系統和強電被控系統。為增強GPIO驅動能力，在控制線上使用了74LS06的一路非門。當P1.9輸出高電平時，MOC3021的內置發光二級管處于正偏導通狀態，MOC3021的輸入端有電流輸入，輸出端雙向可控硅導通進而觸發KS導通，電熱絲通電工作；P1.9輸出低電平時，電熱絲停止工作。其中R14和C5共同構成雙向可控硅KS的阻容保護電路。濕度調節電路的控制通過P1.8引腳實現，采用晶體管驅動繼電器方式控制超聲霧化加濕裝置[6]的啟停。晶體管9013用于為繼電器提供工作電流。晶體管輸出型光電耦合器TLP521-1[7]用于隔離保護。續流二極管IN4001與繼電器并聯，用于保護接口電路，截止時釋放繼電器線圈能量，避免驅動器件被反向擊穿。

3 軟件設計

系統的軟件設計主要包括嵌入式操作系統的移植和恒溫恒濕控制程序的開發兩大部分。操作系統選用了源代碼完全公開的嵌入式實時操作系統μC/OS-II，恒溫恒濕控制程序基于嵌入式C語言編寫實現。

3.1 操作系統的移植

μC/OS-II是一種專為嵌入式應用設計的可移植、可裁剪、搶占式的實時多任務操作系統內核。其絕大部分代碼基于C語言編寫，只有與CPU硬件相關的部分用匯編語言編寫，以便移植到任何一種CPU上。為了能使μC/OS-II在本系統的核心處理器LPC2124上運行，設計中進行了操作系統的移植。研究分析了LPC2124的自身特性，它完全支持μC/OS-II的移植。移植工作主要集中在如下方面：①編寫了LPC2124的啟動代碼，實現程序入口指針的定義和中斷向量的設置，并初始化各模式下的堆棧和寄存器[8]；②修改了與處理器相關的代碼部分，主要包括文件“OS_cpu.h”、“includes.h”、“OS_cpu_a.s”和“OS_cpu_a.c”。在“OS_cpu.h”中定義了與處理器相關的常數和宏[9]，移植時主要修改與編譯器相關的數據類型的設定以及系統宏開關中斷等；文件“OS_cpu_a.c”的移植主要包括任務堆棧初始化和相應函數的實現；文件“OS_cpu_a.s”的移植涉及對處理器的寄存器操作。

3.2 恒溫恒濕控制程序的設計

3.2.1 恒溫恒濕控制程序的設計流程 恒溫恒濕控制程序基于嵌入式C語言編程實現，其程序流程如圖4所示。完成系統初始化后，程序通過定時查詢方式循環探測育種箱內環境的溫度和濕度，并監測鍵盤模塊有無數據輸入。然后根據探測值和設定值綜合判斷是否需要啟動溫度或濕度調節電路來改變箱內溫度或濕度，程序中采用了PID控制方式進行溫度、濕度調節電路的控制。值得指出的是，程序對由傳感器SHT11得到的數字式溫濕度數據進行轉換得到真實值。

3.2.2 溫度轉換程序的設計 SHT11內置的溫度傳感器具有很好的線性特征，真實溫度值可通過下式算法轉換得到：T=d1+d2×SOT，式中，SOT為SHT11的數字式溫度數據，d1、d2為溫度轉換系數，取值參見文獻[10]。

3.2.3 濕度轉換程序的設計 由SHT11讀取的數字式相對濕度數據需經線性補償和溫度補償才能得到準確值。線性補償程序按下式編寫：RHl=C1+C2×SORH+C3×SORH2，式中，RHl為線性補償后的濕度值；SORH為相對濕度測量值；C1、C2、C3為線性補償系數，分別取值為-2.046 8、0.036 7和-1.595 5×10-6。然后，按下式進行濕度信號的溫度補償：RHt=（T-25）×（t1+t2×SORH）+RHl，式中，RHt為補償后的真實濕度值；T為測量濕度時刻的溫度；t1、t2為溫度補償系數，分別取值為0.01和0.000 08。

4 應用分析

該系統的樣機已經成功應用在了河南省唐山市農業示范園區的育種作業中，在不同時段的多次育種任務中，系統表現出了優良的性能。截至目前，共進行了15批次的育種作業，這些作業涵蓋了不同作物種類、不同育種介質等情況。為測試系統性能，在各次作業中均將種子平均分為兩部分，分別使用本系統和傳統育種箱育種，其他條件完全相同。將各次對比數據進行了記錄和統計分析，結果表明，采用本系統的育種效率較傳統育種平均提高了26.3%，由此可見系統的實用價值。

5 結論

育種作業是農業生產的基礎和關鍵，針對傳統的手工自然育種方式以及現有的恒溫育種箱的缺點，設計了一種基于嵌入式ARM微處理器的高精度恒溫恒濕控制系統?；贚PC2124、數字溫濕度傳感器及執行部件設計了系統硬件；基于源代碼完全公開的嵌入式實時操作系統μC/OS-II和嵌入式C語言編程技術設計了系統軟件。試用情況表明，該系統能夠很好地解決傳統育種的不足；系統實用性很強、應用和推廣價值較高。

參考文獻：

[1] 李明順，謝傳曉，張世煌. 提高玉米育種效率的技術途徑與策略[J]. 作物雜志，2007（1）：4-7.

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[9] 馬明濤. 基于ARM和μC/OS-Ⅱ設計的網絡化大田溫度檢測系統探析[J].湖北農業科學，2012，51（16）：3603-3606.

[10] 鄭 鋒，王巧芝，陳繪兵，等. 51單片機應用系統典型模塊開發大全[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.553-590.